第7章+遗传变异与保护-李景文.ppt

1、遗传变异与物种保护,第 七 章,资源与环境学院: 李景文,Colby 等（Science, 2001）研究了我国大熊猫保护区建设现状，认为大熊猫栖息地的片断化仍很严重，保护区建设的作用不大？,1. 理解种群数量对物种遗传变异保护的意义 2. 掌握和理解瓶径效应和有效种群的概念 3. 理解种群的波动以及物种生存生境需要 4. 掌握小种群保护的MVP、MDA的含义 5. 理解小种群容易灭绝的原因,本部分重点内容,1 遗传变异的概念 （1）变异：所谓变异是指同种生物不同世代或同一世代不同个体之间的差异。 （2）遗传变异：由于遗传物质的变化（如基因突变等）所造成的变异，一般是遗传的，这种变异称为遗传变

2、异。,一、遗传变异,2. 遗传变异发生频率 （1）点突变（基因突变） 突变率：发生突变的个体称突变体，突变体占观察的总个体数的比率称突变频率，简称突变率。 基因突变率：一般基因的自发突变频率都很低，大约在10-410-9之间。,. 遗传变异与种群数量的关系 例: 假定每代每个基因的平均突变率是10-5，世界人口以60亿（6x109）计算，那么每代人在每一基因位点上就会产生突变的数量是多少？ 6109个体2基因/位点10-5突变率/基因 =120000个新突变,4 基因重组 基因重组（gene recombination）是通过有性过程基因型形成过程。基因重组不改变基因本身，但新的组合可导致新的

3、表型。,基因重组与变异多样性 基因重组可以引起变异的多样性。,基因,基因重组,基因型,形状多样性,例1: 对等位基因可能形成的基因型有3种：AA Aa aa 对等位基因可以产生的基因型有9种（32）： AABB AABb AAbb AaBB AaBb aaBB aaBb Aabb aabb 例2: 根据等位基因的数量与基因型数量的关系式 Tg = 3N Tg 为基因型的数量，N为等位基因的数量 如有10对等位基因，那么就可得到310 =59049种不同的基因型。其中有210 个是纯合子，其余全是杂合子。,、小结： 自然种群的遗传变异的量与种群的数量是正相关 变异个体的数量和特定物种种群数量相关

4、。 保持物种遗传稳定种群的质量，必须在一定的数量条件下才能实现，所以保护物种遗传变异需要研究种群的数量特征。,1 探讨种群数量的意义： 为了保护生物物种稳定存在，保持一个种群数量的适合值，维持其遗传变异和进化是保护生物学的一个重要内容 生物多样性保护面临的最直接的问题，就是物种数量的减少导致生存风险问题 种群数量大小和遗传变异性减少的过程以及结果 存在密切的关系。,二、种群数量与物种保护,2 小种群的“瓶径” (bottle neck)现象 （1）瓶颈：瓶颈就是物种种群由于自然或人为的因素发生崩溃后最小的种群数量 。 该种群对物种遗传变异保留的多少，以及在未来的时间里能否恢复和生物多样性的丰富

5、程度都起着关键作用，就象一个“瓶颈”一样,瓶径,崩溃,恢复,种群数量,时 间,波动,灭绝,物种种群下降发生瓶颈效应后可能的结果,（2）如何认识“瓶颈” 瓶颈是种群的一种数量状态： 对于瓶颈的理解可以是一个可观察的种群数量骤然减少后的最低值 。 “瓶颈”效应是影响该种群数量变化的最关键的因素， 它是物种种群处于数量最少，质量最低的状态，未来种群数量的变化完全受到瓶颈的限制，即瓶颈效应影响。 瓶颈影响和物种的生物学与生态学特性相关。,（）瓶颈效应对于基因多样性的影响 瓶颈事件的发生伴随着遗传变异性的丧失： 质量上，瓶颈发生会使物种的等位基因丢失 数量上，特定性状的变异量和变异能力减少或下降,根据W

6、RIGHT-FISHER模型 Pt+1=(1-1/2N)P t 即经过1代后遗传变异的保存率为 G=1-1/2N,小种群t代后仍保留下来的遗传变异的百分率（%）,2 遗传漂变对小种群遗传变异的影响 对基因频率的影响 由于遗传漂变的存在，基因频率在上下代之间发生变化，变化的大小与种群数量存在一定的关系： 根据梅里尔的研究：基因频率变化的标准差与种群的数量存在以下关系： q2=pq / 2N q2 ：代表方差 p q代表等位基因的频率，N：种群的数量,种群数量和基因频率的变化标准差的关系,3 统计随机性对小种群的影响 出生率和死亡率(近交衰退远交衰退) 性比的变化 年龄结构的失调等 4 环境随机性

7、与自然灾害的影响 抵御环境的变化能力减低 自然灾害可能导致物种的灭绝,长臂猿种群面临瓶颈效应的影响,表1 海南黑冠长臂猿分布区与种群数量动态 TABLE 1. Distribution area and number dynamics of Hainan gibbon,霸王岭保护区长臂猿族群分布,竹子开花的影响,5小结: 小种群容易灭绝的原因 遗传变异的丧失遗传漂变 近交衰退远交衰退影响 统计事件的影响: 性比、种群波动和瓶颈效应影响 抵御环境变化和自然灾害能力降低 有效种群数量小,经历瓶颈效应的小种群中，是否每个个体对于种群的恢复和发展都具有作用呢？,什么是有效种群呢 ?,三、有效种群 1

8、有效种群： 种群中对于后代基因库有影响的个体数量 2 有关的Ne计算公式 ： Ne=4NmNf /（Nm + Nf） Nm和Nf分别是种群的雄性繁殖个体和雌性繁殖个体数量。,例3: 现在考虑一群由10个斑马组成的种群， 1 其中1个雄性9个雌性。 种群的Ne值为多少 2 一个由5个雄性和5个雌性组成的 种群Ne值为多少 不但如此，对后代群体遗传变异的影响也较大。 有效种群和物种种群之间的数量关系？,表 种群年龄结构动态表 TABLE dynamic of age structure of the Hainan gibbon population,该物种繁殖为一夫多妻制！,在自然状态下，种群的数

9、量是稳定的吗？,3、种群波动 现实种群具有波动性，生态学的许多学科研究种群波动的问题，尤其是在温带地区。 当每一代种群的数量随时间发生变化时，有效种群的大小就是各代有效数量的调和平均： 1/Ne=1/t（1/N1+1/N2+1/Nt）,野生动物管理实践中的一个典型情况就是把大型动物限制在一个确定的面积内，一个合理的更大有效种群数量的维持需要空间或需要比原来所期望的更多的个体数量。 问题: 1 维持种群的数量需要有一定的空间或面积, 这个面积该如何确定?, 问题 2 国家林业局规定:国家级自然保护区申报面积要求:东南部地区保护区面积可以少于10000公顷,华北和东北地区保护区面积大于10000公

10、顷,西北地区要更大.,现实问题:,当我们对一个种群的数量动态及数量遗传特征有了一定研究基础后，如何来评价一个物种的濒危情况、发展动态和采取怎样的保护措施呢？,最小生存种群（MVP）的含义 （1）Shaffer（1981）定义了物种的最小生存种群：“最小生存种群是任何生境中任一物种的隔离种群，在可预见的种群数量、环境、遗传变异和自然灾害等因素影响下，都有99的可能性存活 1000年。 （2）遗传学上的概念：在一定时间内保持一定遗传变异所需的 最小种群。,四 小种群保护,（3）种群统计学概念：以一定概率存活一定时间所需的最小种群大小。,（4）一般概念; “最小生存种群是任何生境中任一物种的种群，在

11、可预见的种群数量、环境、遗传变异和自然灾害等因素影响下，以一定的概率存活 一定时间的种群数量。,（5）MVP大小 50/500法则 Franklin（1980）提出，在500个个体的种群里，通过突变产生新的遗传变异性的速度可以抵消因小种群数量而丧失的遗传变异性的速度。这个取值范围被称为50/500法则：短期存活的种群其有效种群至少需要50个个体，长期存活的种群则需要500个个体才能维持其遗传变异性。,举例：对美国西南部荒漠上的加拿大盘羊种群持续生存力进行的连续70年研究显示，少于50个个体的种群在50年内全部灭绝，而所有大于 100个个体的种群在同一时期内均能持续生存。,2 最小动态面积（MD

12、A） 最小动态面积：最小动态面积是维持MVP所必需的最适生境的量。 维持物种生存和进化需要一定面积的栖息地 目前的研究结果表明： 估计维持多种小型哺乳动物种群的保护区大小为1万至10万公顷。如：保护加拿大野生家域较大的灰棕熊，50个个体需4.9万km2，1000个需242万km2。,如何确定最小种群和最小面积呢？,3 小种群的保护种群生存力分析 (PVA) PVA定义：用分析和模拟技术，估计物种以 一定概率存活一定时间的过程。 （1） 影响种群生存力的因素, 统计随机性 个体在繁殖和生存（出生率、死亡率和性比等）方面的随机变异性； 环境随机性 由栖息地常数和种群间的竞争、捕食、寄生和疾病随时间

13、变化而引起； 自然灾害随机性 如洪水、大火、干 旱等偶发性随机因素； 人为干扰随机性 由人类的经济活动与社会活动而引起； 遗传随机性 由创始者效应、遗传漂变或近交衰退引起的种群遗传结构方面的随机性变异。,种群大小,不同随机性（遗传随机性除外）对种群存活时间和种群大小之间关系的影响,种群存活时间,种群统计随机性,环境随机性,灾害随机性,对种群存活的重要性: 灾害随机性环境随机性统计随机性,（2）分析模型 目前主要的分析模型的种类 遗传随机性模型 例如: 在给出种群遗传变异的保留率的条件下,可以计算出在该条件下有效种群的数量.如遗传变异的保留率每代维持在99.9%以上的最小种群数量 统计随机性模型 环境随机性模型 自然灾害随机性模型 研究的意义和分析模型研究中存在的问题,（3）模拟模型 由于种群生存力分析遇到了大量的非线性的生态关系，因此许多方程无法求得分析解。随着计算机技术的应用和发展，许多人开始使用模拟技术研究种群的生存力。 已发展的计算机程序包括：SPGPC，GAPPS，RAMAS，FOROP，ALEX，SIMPOP和后来的VORTEX。,实 例1,采用VORTEX模型分析海南坡鹿的种群生存力,种群出生率与死亡率 坡鹿开始和停止繁殖的年龄 坡鹿的繁殖制度与个体参加繁殖的机会 环境容纳量